面试题：C++多线程环境下全局变量引用的安全考量

Question

在一个多线程的C++程序里，存在一个全局变量`std::vector<int> globalVec;`，多个线程会对其进行读和写操作。请阐述你会采取哪些措施来确保对`globalVec`的引用是安全的，并分析不同措施在性能和复杂性方面的差异。

Answer 1

措施

1. 互斥锁（std::mutex）
   • 使用方式：在对globalVec进行读写操作前，先锁定互斥锁，操作完成后解锁。例如：

   std::mutex globalVecMutex;
   void writeToGlobalVec(int value) {
       std::lock_guard<std::mutex> lock(globalVecMutex);
       globalVec.push_back(value);
   }
   int readFromGlobalVec(size_t index) {
       std::lock_guard<std::mutex> lock(globalVecMutex);
       return globalVec[index];
   }
   

2. 读写锁（std::shared_mutex C++17 及以上）
   • 使用方式：对于读操作，使用共享锁（std::shared_lock）；对于写操作，使用独占锁（std::unique_lock）。例如：

   std::shared_mutex globalVecReadWriteMutex;
   void writeToGlobalVec(int value) {
       std::unique_lock<std::shared_mutex> lock(globalVecReadWriteMutex);
       globalVec.push_back(value);
   }
   int readFromGlobalVec(size_t index) {
       std::shared_lock<std::shared_mutex> lock(globalVecReadWriteMutex);
       return globalVec[index];
   }
   

3. 原子操作（std::atomic 部分场景适用）
   • 使用方式：如果globalVec的操作主要是简单的追加或特定原子性支持的操作，可以考虑使用std::atomic相关特性。例如，如果只是简单地追加元素，可以自定义一个基于std::atomic<int>的索引来实现线程安全的追加（但这种方式对复杂的vector操作支持有限）。

   std::atomic<int> globalVecIndex(0);
   void writeToGlobalVec(int value) {
       int idx = globalVecIndex.fetch_add(1);
       globalVec[idx] = value;
   }
   

性能和复杂性差异

1. 互斥锁
   • 性能：读写操作都需要获取独占锁，当有多个读操作时，即使它们之间不会相互影响，也会因为锁的独占性而串行化，性能相对较低，尤其是读操作频繁的场景。
   • 复杂性：实现相对简单，只需要一个互斥锁对象，在需要保护的代码段前后进行加锁和解锁操作。
2. 读写锁
   • 性能：读操作可以并发执行，因为读锁是共享的，只有写操作需要独占锁。所以在多读少写的场景下，性能优于互斥锁。但在多写场景下，与互斥锁性能相近，因为写操作都需要独占锁。
   • 复杂性：比互斥锁略复杂，需要区分读锁（std::shared_lock）和写锁（std::unique_lock）的使用，并且需要理解共享锁和独占锁的机制。
3. 原子操作
   • 性能：在特定操作下（如简单的原子性计数等）性能非常高，因为不需要像锁那样进行上下文切换等开销。但对于复杂的vector操作，如插入、删除元素等，原子操作难以满足需求，并且可能需要复杂的设计来模拟完整的vector行为。
   • 复杂性：实现复杂，对于std::vector这样复杂的数据结构，要使用原子操作保证线程安全，需要深入理解原子操作的原理和对vector底层机制的了解，并且往往只能实现部分功能。